Was ist der Zweck eines Transformators?

Die meisten Leute haben wahrscheinlich schon von Transformatoren gehört und sind sich bewusst, dass sie Teil des Allgegenwärtigen und doch Stillen sind mysteriöses Stromnetz, das Strom an Haushalte, Unternehmen und jeden anderen Ort liefert, an dem "Saft" ist erforderlich. Aber die typische Person scheut sich davor, die Feinheiten der elektrischen Energieversorgung zu lernen, vielleicht weil der gesamte Prozess in Gefahr zu sein scheint. Kinder lernen von klein auf, dass Elektrizität sehr gefährlich sein kann, und jeder erkennt, dass jeder Die Kabel des Energieversorgers werden aus gutem Grund außer Reichweite (oder manchmal im Boden vergraben) gehalten.

Aber das Stromnetz ist in der Tat ein Triumph menschlicher Ingenieurskunst, ohne die die Zivilisation nicht von der heutigen nicht mehr zu unterscheiden wäre. Der Transformator ist ein Schlüsselelement bei der Steuerung und Lieferung von Strom ab dem Punkt, an dem er wird in Kraftwerken produziert, bis es in ein Wohnhaus, ein Bürogebäude oder ein anderes Ende gelangt Ziel.

Stellen Sie sich einen Damm vor, der Millionen Liter Wasser zurückhält, um einen künstlichen See zu bilden. Da der Fluss, der diesen See speist, nicht immer die gleiche Wassermenge in das Gebiet führt, da sein Wasser dazu neigt, in den Frühjahr nach der Schneeschmelze in vielen Gebieten und Ebbe im Sommer während trockener Zeiten, jeder wirksame und sichere Damm muss mit Vorrichtungen ausgestattet sein die eine feinere Kontrolle des Wassers ermöglichen, als es einfach zu stoppen, bis der Wasserstand so stark ansteigt, dass das Wasser einfach verschüttet darüber. Staudämme beinhalten daher alle Arten von Schleusentoren und anderen Mechanismen, die bestimmen, wie viel Wasser fließt auf die stromabwärts gelegene Seite des Damms übergehen, unabhängig von der Höhe des Wasserdrucks auf der flussaufwärts Seite.

So ungefähr funktioniert ein Transformator, nur dass das fließende Material nicht Wasser, sondern elektrischer Strom ist. Transformatoren dienen dazu, die Spannung, die durch einen beliebigen Punkt in einem Stromnetz fließt (unten ausführlich beschrieben), so zu manipulieren, dass die Effizienz der Übertragung mit der grundlegenden Sicherheit in Einklang steht. Es ist offensichtlich sowohl für die Verbraucher als auch für die Eigentümer des Kraftwerks finanziell und praktisch vorteilhaft und Stromnetz, um Stromverluste zwischen dem Verlassen des Kraftwerks und dem Erreichen der Haushalte oder anderen zu verhindern Destinationen. Auf der anderen Seite, wenn die Spannung, die durch ein typisches Hochspannungskabel fließt, nicht verringert würde, bevor Sie Ihr Haus betreten, würden Chaos und Katastrophe die Folge sein.

Spannung ist ein Maß für die elektrische Potenzialdifferenz. Die Nomenklatur kann verwirrend sein, da viele Schüler den Begriff "potentielle Energie" gehört haben, was es leicht macht, Spannung mit Energie zu verwechseln. Tatsächlich ist Spannung elektrische potentielle Energie pro Ladungseinheit oder Joule pro Coulomb (J/C). Das Coulomb ist die Standardeinheit der elektrischen Ladung in der Physik. Ein einzelnes Elektron wird zugewiesen -1.609 × 10 assigned^-19 Coulomb, während ein Proton eine Ladung mit gleicher Größe, aber entgegengesetzter Richtung trägt (d. h. eine positive Ladung).

Das Schlüsselwort hier ist wirklich "Unterschied". Der Grund dafür, dass Elektronen von einem Ort zum anderen fließen, ist der Spannungsunterschied zwischen den beiden Referenzpunkten. Spannung stellt den Arbeitsaufwand dar, der erforderlich wäre pro Einheit Gebühr um die Ladung gegen ein elektrisches Feld vom ersten Punkt zum zweiten zu bewegen. Um ein Gefühl für die Größe zu gewinnen, sollten Sie wissen, dass Fernübertragungskabel normalerweise 155.000 bis 765.000 Volt tragen, während die Spannung, die in ein Haus eingeht, normalerweise 240 Volt beträgt.

In den 1880er Jahren nutzten Elektrodienstleister Gleichstrom (DC). Dies war mit Verbindlichkeiten behaftet, einschließlich der Tatsache, dass Gleichstrom nicht für die Beleuchtung verwendet werden konnte und sehr gefährlich war und dicke Isolierschichten erforderte. Während dieser Zeit produzierte ein Erfinder namens William Stanley die Induktionsspule, ein Gerät, das Wechselstrom (AC) erzeugen kann. Als Stanley diese Erfindung erfand, wussten die Physiker um das Phänomen der Wechselstrom und dessen Vorteile in Bezug auf die Stromversorgung hätte, aber niemand war in der Lage gewesen, eine Möglichkeit zu finden, Wechselstrom auf einer großen Rahmen. Stanleys Induktionsspule würde als Vorlage für alle zukünftigen Variationen des Geräts dienen.

Stanley wäre beinahe Anwalt geworden, bevor er sich entschloss, als Elektriker zu arbeiten. Er begann in New York City, bevor er nach Pittsburgh zog, wo er begann, an seinem Transformator zu arbeiten. Er baute 1886 das erste städtische Wechselstromnetz in der Stadt Great Barrington, Massachusetts. Nach der Jahrhundertwende wurde sein Stromunternehmen von General Electric aufgekauft.

Ein Transformator kann die Spannung, die durch die Stromkabel fließt, sowohl erhöhen (hochstufen) als auch verringern (reduzieren). Dies ist ungefähr analog zu der Art und Weise, in der das Kreislaufsystem die Blutversorgung bestimmter Körperteile je nach Bedarf erhöhen oder verringern kann. Nachdem das Blut ("Kraft") das Herz (das "Kraftwerk") verlassen hat, um eine Reihe von Verzweigungspunkten zu erreichen, kann es schließlich zum Unterkörper statt Oberkörper, dann zum rechten Bein statt zum linken und dann zur Wade statt zum Oberschenkel, usw. Dies wird durch die Erweiterung oder Verengung von Blutgefäßen in den Zielorganen und -geweben bestimmt. Wenn in einem Kraftwerk Strom erzeugt wird, erhöhen Transformatoren die Spannung für die Fernübertragung von einigen Tausend auf Hunderttausende. Wenn diese Drähte Punkte erreichen, die Umspannwerke genannt werden, reduzieren Transformatoren die Spannung auf unter 10.000 Volt. Sie haben diese Umspannwerke und ihre Zwischenstufen-Transformatoren wahrscheinlich auf Ihren Reisen gesehen; Die Transformatoren sind meist in Kästen untergebracht und sehen ein bisschen aus wie Kühlschränke, die am Straßenrand aufgestellt sind.

Wenn der Strom diese Stationen verlässt, was normalerweise in verschiedene Richtungen erfolgen kann, trifft andere Transformatoren näher an ihrem Endpunkt in Unterteilungen, Nachbarschaften und Einzelpersonen Häuser. Diese Transformatoren reduzieren die Spannung von unter 10.000 Volt auf etwa 240 Volt – mehr als 1.000 Mal weniger als die typischen Höchstwerte, die in Hochspannungskabeln über große Entfernungen auftreten.

Transformatoren sind natürlich nur ein Bestandteil des sogenannten Stromnetzes, die Bezeichnung für das Leitungssystem, Schalter und andere Geräte, die Strom erzeugen, senden und steuern, von dort, wo er erzeugt wird, an den Ort, an dem er ist letztendlich verwendet.

Der erste Schritt zur Erzeugung elektrischer Energie besteht darin, die Welle eines Generators zum Drehen zu bringen. Ab 2018 erfolgt dies meist mit Dampf, der bei der Verbrennung eines fossilen Brennstoffs wie Kohle, Öl oder Erdgas freigesetzt wird. Kernkraftwerke und andere "saubere" Energiegeneratoren wie Wasserkraftwerke und Windmühlenparks können auch die zum Antrieb des Generators erforderliche Energie nutzen oder produzieren. In jedem Fall wird der Strom, der in diesen Anlagen erzeugt wird, als Drehstrom bezeichnet. Dies liegt daran, dass diese Wechselstromgeneratoren Strom erzeugen, der zwischen einem festgelegten Minimum und Maximum oszilliert Spannungsebene, und jede der drei Phasen ist um 120 Grad zu den davor und dahinter liegenden Phasen versetzt Zeit. (Stellen Sie sich vor, Sie gehen über eine 12-Meter-Straße hin und her, während zwei andere Leute dasselbe tun, was eine 24-Meter-Straße ergibt Hin- und Rückfahrt, außer dass eine der anderen beiden Personen immer 8 Meter vor dir ist und die andere 8 Meter dahinter Sie. Manchmal gehen zwei von Ihnen in die eine Richtung, während zwei von Ihnen in die andere Richtung gehen, wobei die Summe Ihrer Bewegungen variiert, aber auf vorhersehbare Weise. So funktioniert dreiphasiger Wechselstrom.)

Bevor der Strom das Kraftwerk verlässt, trifft er zum ersten Mal auf einen Transformator. Nur hier erhöhen Transformatoren in einem Stromnetz die Spannung deutlich, anstatt sie zu reduzieren. Dieser Schritt ist erforderlich, da der Strom dann in Dreiergruppen in große Übertragungsleitungen gelangt, eine für jede Stromphase, und einige davon möglicherweise bis zu 300 Meilen oder so zurücklegen müssen.

Irgendwann trifft der Strom auf ein Umspannwerk, wo Transformatoren die Spannung auf a. reduzieren Ebene geeignet für die eher unauffälligen Stromleitungen, die Sie in Nachbarschaften sehen oder auf dem Land verlaufen Autobahnen. Hier findet die Verteilungsphase (im Gegensatz zur Übertragung) der Stromlieferung statt, da Leitungen normalerweise den Strom verlassen leave Umspannwerke in mehrere Richtungen, genauso wie mehrere Arterien, die mehr oder weniger gleichzeitig von einem großen Blutgefäß abzweigen Kreuzung.

Vom Umspannwerk gelangt der Strom in die Nachbarschaften und verlässt die lokalen Stromleitungen (die normalerweise an "Telefonmasten" liegen), um in die einzelnen Wohnungen zu gelangen. Kleinere Transformatoren (von denen viele wie kleine Metallmülleimer aussehen) reduzieren die Spannung auf etwa 240 Volt, damit sie in Häuser eindringen kann, ohne ein großes Risiko für einen Brand oder ein anderes schweres Missgeschick zu verursachen.

Transformatoren müssen nicht nur die Spannung manipulieren, sondern auch resistent gegen Schäden sein, sei es durch Naturgewalten wie Sturm oder gezielte menschliche Angriffe. Es ist nicht möglich, das Stromnetz außerhalb der Reichweite von Elementen oder menschlichen Schurken zu halten, aber dennoch ist das Stromnetz für das moderne Leben absolut lebenswichtig. Diese Kombination aus Verletzlichkeit und Notwendigkeit hat das US-Heimatschutzministerium dazu veranlasst, ein Interesse an den größten Transformatoren im amerikanischen Stromnetz, den sogenannten großen Leistungstransformatoren, oder LPT. Die Funktion dieser massiven Transformatoren, die in Kraftwerken liegen und 100 bis 400 Tonnen wiegen und Millionen kosten können Dollar, ist für die Aufrechterhaltung des täglichen Lebens unerlässlich, da der Ausfall eines einzelnen zu Stromausfällen in weiten Teilen führen kann Bereich. Dies sind die Transformatoren, die die Spannung dramatisch erhöhen, bevor Strom in Langstrecken-Hochspannungsleitungen eindringt.

Ab 2012 lag das Durchschnittsalter eines LPT in den USA bei etwa 40 Jahren. Einige der heutigen Top-End-Extra-High-Voltage (EHV)-Transformatoren haben eine Nennleistung von 345.000 Volt, und die Nachfrage nach Transformatoren steigt sowohl in der USA und weltweit, was die US-Regierung dazu zwingt, nach Wegen zu suchen, um sowohl bestehende LPTs nach Bedarf zu ersetzen als auch neue zu vergleichsweise niedrigen Preisen zu entwickeln Kosten.

Ein Transformator ist im Grunde ein großer, quadratischer Magnet mit einem Loch in der Mitte. Der Strom tritt auf einer Seite über Drähte ein, die mehrmals um den Transformator gewickelt sind, und auf der gegenüberliegenden Seite über Drähte, die unterschiedlich oft um den Transformator gewickelt sind. Das Eindringen von Elektrizität induziert ein magnetisches Feld im Transformator, das wiederum ein elektrisches Feld in den anderen Drähten induziert, die dann Strom vom Transformator wegführen.

Auf physikalischer Ebene arbeitet ein Transformator unter Ausnutzung des Faradayschen Gesetzes, das besagt, dass das Spannungsverhältnis zweier Spulen gleich dem Verhältnis der Windungszahl der jeweiligen Spulen ist. Wenn also an einem Transformator eine reduzierte Spannung benötigt wird, enthält die zweite (abgehende) Spule weniger Windungen als die primäre (eingehende) Spule.